地球各时期的温度（地球的温度与人体的温度）

一、地球的温度

我们生活在地球上，地球的温度影响着我们的一举一动：由于昼夜的温差，我们要随时加减穿衣；根据春夏秋冬的循环；我们要安排农耕和渔牧；…。

下面是一些有趣的知识：

01

为什么冬冷夏热

众所周知，地球围绕太阳转一圈就是一年（图1）。不过，地球的南北极不是垂直于太阳的，而是有一个23°的倾角。这就造成了在北半球夏天白昼长，而且太阳直照，强度高，所以就热了；冬天白昼短，太阳斜照，强度变弱，所以就冷了。在南半球正好相反。还要提到的是地球围绕太阳旋转的轨道是椭圆形的，夏天时离太阳远些，最远时是152，500，000千米（km）；冬天时离太阳近些，最近时是147，500，000千米（km）；两者相差3.3%。但这个影响远不如昼夜长短和太阳照射角度的影响。

图1，地球围绕太阳旋转的示意图

02

“高处不胜寒”，为什么越高的地方越冷

这是因为地球覆盖着大气层，在低处空气密集，空气中的分子互相碰撞，因此产生热量。在高处空气稀薄，空气中的分子也少了许多，碰撞的机会也大大减少，因此就冷了。如图2所示，海平面的高度为0，气压为1个大气压（atm）（1 atm = 1,013.25 millibar（毫巴，mb）= 1,013.25 kgf/cm²（千克力/平方厘米）），即每平方厘米的压力为近1000千克。上了5500米的高山，压力就只剩下一半了，空气的密度也少了一半（所以会难以呼吸）。上了珠穆朗玛峰（Mt. Everest）更是只剩下40%左右。诚然，高山离太阳较近，但那几千米比起地球到太阳1亿5千万千米的距离实在是微不足道。

图2，高度与气压

03

最冷和最热的地方

讲到地球上最冷和最热的地方，读者自然想到两极与赤道。据记录，最冷的地方是南极洲东部的一个山岗，曾录得-93.2℃的温度。最热的地方却不在赤道上。这是因为赤道附近有大洋环绕，雨水带来了清凉。世界上有好几个地方都可以叫做最热的地方，其中包括中国的火焰山、美国的死亡谷（Death Valley）、埃塞俄比亚的达洛尔（Dallol）、伊朗的卢特沙漠（Lut Desert）等等。这些地方的温度经常会达到50℃以上。

04

地球历史上的温度是怎样变化的

世界各地的温度不同，要追溯一个地方的温度变化可以看当地老树的年轮（有些热带的树木没有年轮）。年轮记录着树木每年生长的状况（图3）。在阳光雨水充沛、温度适宜的年度，树龄环就会长得粗大些。反之就会小些。许多树木可以生长1千多年，期间发生的气候变化、火灾、霜冻等都记录在年轮之中。另外还可以看冰芯（图4）。生活在北方的人也许知道雪的特点：一是温度越高雪的密度越大，这是因为温度高时雪中含水量高，水的比重比雪大；二是刚下来的雪松软，化了以后再结冰就会变硬。在积雪终年不化的冰河中，冰雪年复一年的堆积，留下一个准确的温度记录。此外，积雪会把随雪而来的尘埃、二氧化碳等杂质封存其中，从而记录下火山爆发、二氧化碳含量等等重要信息。科学家们在冰河中钻一个洞，取出冰芯，一段一段地量测分析，就可以追溯出历史的气候。2017年，科学家们在南极东部钻了一个4千多米的深洞，取出的冰芯可以追溯到230万年前的气候。

图3，树木的年轮

图4，冰河中取出的冰芯

05

冰川期

冰川期这个概念最先是瑞士裔美国科学家路易斯·阿加西（Louis Agassiz，1807—1873）提出来的。他注意到他家乡的阿尔卑斯山脚下有冰川的遗迹。而这些冰川遗迹附近都是富饶的牧场和农地。据此，他推论地球的某个时期一定是十分寒冷，他把这个时期叫做冰川期（Glacial period）。1848年他到美国讲学获得很大的成功，因此受聘于哈佛大学。他在哈佛大学工作了25年，为大学建立了科学院。是什么导致了冰川期呢？地球上除了太阳，没有任何能源能使地球的温度升高1℃。塞尔维亚科学家米兰柯维奇（Milutin Milankovitch，1879—1958）提出了米兰柯维奇周期（Milankovitch cycle）理论。这个周期由三部分组成（图5）：

• 地球围绕太阳公转时的偏心（eccentricity）周期，这个周期为期100,000年；
• 地球倾角的变化（Tilt）周期，这个周期为期41,000年；
• 地球倾角的旋转（Precession）周期，这个周期为期25,000年

这些周期的组合使得地球接收到的阳光时多时少，少的时候就是冰川期。图6是米兰柯维奇周期与格陵兰Vostok冰芯记录的温度比较，从图中可以看出两者具有相关性。另外，目前我们是处在阳光较少的期间，但地球温度不减。这就是气候暖化了。

图5，米兰柯维奇周期

图6，米兰柯维奇周期（蓝色曲线）与格陵兰冰芯温度记录（红色曲线）的比较

实际上影响气候暖化的因素很多。米兰柯维奇周期只是其中之一。如图7所示，重要的因素还包括：

• 太阳的影响（如太阳的黑子）；
• 海洋的影响（如洋流、水位、组分、冰、风等等）；
• 陆地的影响（如森林、植被、生态系统、冰川、冻土等等）；
• 大气的影响（如温室气体、云、雨等等）；
• 人类的影响（如农业、工业、化石能源等等）
• 其他影响（如火山）

图7，地球温度的影响因素

讲了地球的温度，我们再来看看人体的温度。

二、人体的温度

不管是居住在北极的因纽特（Inuit）人还是居住在赤道雨林中的俾格米（Pygmoid）人，不管是股票交易所的经纪还是高原上的牧人，不管是黄种人、白种人还是黑人，不管是男人还是女人，不管是1个月的宝宝、18岁的运动员还是100岁的老人，人的体温都是37.2℃左右。

实际上人体各个部位的体温有所不同：舌下温度最接近体内温度，为37.2℃，直肠温度为36.5～37.7℃，腋下温度为36.0℃~37.0℃，肝脏最高，约为38 ℃。血液的温度代表了体内温度，与舌下温度基本一致。此外，在一天当中，人体的体温也会有变化。如图1所示，早上（7am）起来体温逐渐升高，到了晚上（7pm）开始逐渐降低。另外在一个月中，有月经的女人体温也会有周期性的变化。

图1，在一天中身体温度的变化

人体是恒温的。如果体温的变化超过了2%（0.744 ℃），人就会觉得不舒服。如果体温变化超过了5%（1.86 ℃），那就要到医院去就诊了。

为了保证体温的恒定。人类有一套反馈控制的方法（图2）。人类大脑中的下丘脑负责设定和调节体温。当人的行为变化或环境温度变化导致体温改变时，下丘脑的体温中枢就会进行调控制。如果温度变冷，皮肤中的毛细血管收缩，减少散热，同时汗腺停止分泌，汗毛竖起保温。如果温度变热，皮肤中的毛细血管膨胀加速散热，同时汗腺分泌汗液，通过汗液蒸发散热。

图2，人体体温的自动控制

如果依靠人体自身的反馈控制还不足以保证恒温，人类就需要用其他的方法来御寒或散热。御寒的方法是穿衣服保暖，或生火取暖。保暖的衣料很多，棉、皮毛、羽绒、蚕丝、还有各种各样的化学纤维。它们的共同特点是含有大量的孔穴而储存空气，空气的导热效果很差，所以这些衣料能把身体散发出来的热量“锁”起来，因此能够保暖。

生火是人类赖以生存和进化的关键一步。早在80万年前人类的远祖就学会了生火（人类的祖先智人是在25万年左右前才出现的）。今天我们有多种“生火”取暖的方法，例如暖水、暖气、电热、热泵等等。如果穿衣保暖和生火取暖还不够，那么人就会打冷颤。冷颤是用振动肌肉的方法来发热。这需要耗费大量的能量，随之而来的是疲惫甚至休克。休克实际上是暂停了身体的其他功能，只维持基本的心跳和呼吸。此时已经危及生命了。

人散热的方法是吹风和出汗。古人们在两千多年前就会用扇子了促进空气流动带走热量。不过，热只能从高温处流向低温处。所以当环境温度比体温要高时，扇扇子就不能降温了。为了散热人会出汗，通过汗水的蒸发散热。许多大型哺乳类动物都会出汗。人类在进化的过程中几乎丧失了所有的毛发，只留下一身裸露的皮肤。在皮肤下面有大约2百万个汗腺。当体温过高时，汗腺能够分泌汗液，通过汗液的蒸发散热。汗水含有盐分，大量出汗时会导致盐分的丢失。所以运动饮料都会含有适量的钠，钾等元素，使丢失的盐分能够很快地得到补充。

首先科学地研究蒸发散热的是本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin，1706—1790）（图3）。1758年他做了一个实验。他把一只温度计浸泡在乙醚里，然后用风箱对着吹气。他观察到温度计的读数一直在下降，直到结了一层霜。他认识到乙醚是一种比酒更容易蒸发的液体（乙醚的沸点为34.5 ℃，酒精（乙醇）的沸点为78.3 ℃）。他说如果我们把乙醚涂在身上，即便是在烈日当空的沙漠也会冻死。他还说东方人早就知道把酒涂在身上可以很快地降温，西方科学家们近年来才知道蒸发可以散热的原理。他举了个例子：农民们在烈日下耕作，只要不断出汗就可以抵受炎热。但如果不能出汗，他们就会中暑倒下。

图3，本杰明·富兰克林

我们都听说过富兰克林的名字，他不但是伟大的科学家，而且是伟大的思想家、外交家、政治家。

富兰克林出生于一个平民家庭。他的父亲是一个铁匠，因逃避宗教迫害从英国移民到了美国。富兰克林是家中第15个孩子。小时候他只念了两年书就不得不回到家中做蜡烛。接着又跟着哥哥学印刷。但不管做什么，他总是坚持读书，一生不懈。1723年他离开家乡波士顿到宾夕法尼亚州（Pennsylvania，简称宾州）的费城（Philadelphia）自立门户。1727年他和几位朋友在宾夕法尼亚州（Pennsylvania，简称宾州）的费城（Philadelphia）建立了一个读书会，几年后这个读书会发展成了学校，不久学校改名为宾夕法尼亚大学（University of Pennsylvania，简称UPen），他担任学校的董事会会长达40年之久，是这所常青藤名校的创始人。1730年，他创办了《宾夕法尼亚报》，1731年又创办了美国第一个图书馆，即今天的费城图书馆。

1736年富兰克林当选为宾州的议会秘书长。后来又任邮政局长。他担任公职期间创办了医院、消防队、警察局，修桥筑路，为宾州做了许多贡献。1766年，他代表宾州人民到伦敦向英王请愿，要求得到更多的自主权。适逢《印花税法案》风波。他在英国下议院进行了四个小时的答辩，终于说服下议院废除了这个法案。但不久英国政府又颁布了更为苛刻的法令。1775年，富兰克林回到了美国，此时美国独立战争已经开始。他积极投身其中，担任宾州治安委员会委员。1776年他被选为起草《独立宣言》的成员。宣言中有他的手笔：“我们认为下述真理是不言而喻的：人人生而平等，造物者赋予他们不可剥夺的权利，其中包括生命权、自由权和追求幸福的权利。（We hold these truths to be self-evident, that all men are created equal, that they are endowed by their Creator with certain unalienable Rights, that among these are Life, Liberty, and the pursuit of Happiness.）”。在《独立宣言》通过的当天，他以70岁的高龄远渡重洋出任美国驻法国大使。当时美国还在襁褓之中，富兰克林只是一位没有被正式任命的外交使节，代表一个尚未被承认的国家。但是他利用自己的智慧和声望成功地说服了法国支持美国独立。1783年富兰克林等三人代表美国与英国签订了《巴黎合约》，确立了美国的建立。1785年，富兰克林回到美国，接着被选为宾州州长。同年他还参加了美国宪法的起草。1790年，富兰克林在家中安然逝世。费城全城为之悼念了一个月。

富兰克林是位实干在科学家。他在许多学科中都有建树，例如：

●电学：1752年6月的一天，富兰克林和他的儿子一起做了那个著名的风筝实验（图4）。他们用两根杉木条撑开一块丝绸做成风筝，上面接着一根铁棒。风筝线的尾部绑着一根铜制的钥匙，钥匙上有一根导线连接着一个莱顿瓶（最早的电容储电装置）。两人在雷雨之中把风筝放上天。雷电没有直接击中风筝，但是雷雨云中的电荷却为铜钥匙充了电。当富兰克林用手触摸铜钥匙的时候，触电的感觉让他大叫起来。这个实验证明了用琥珀摩擦丝绸产生的电与天上的雷电是一样的。基于这个实验富兰克林定义了一系列电学的名词，如正电、负电、导电体、电池、充电、放电。接着他还发明了避雷针，并因此赢得了英国皇家学会院士的荣誉。

●热力学：除了上述的散热实验外，富兰克林还发明了一个生火容易、燃烧效率高的“富兰克林炉”。他还首先注意到深色的衣服吸收阳光的能力强，冬天穿保温效果好；浅色的衣服反射阳光的能力强，夏天穿更凉快。

●光学：富兰克林发明了双光眼镜，既适用于近视，又适用于远视。

●气象学：富兰克林首先研究了洋流、极光和暴风雨的路径。

图4，富兰克林的风筝和风筝实验

读者也许会问，为什么人体的体内温度会是37.2 ℃？实际上大部分温血动物的体温都差不多。如图5所示，鲸鱼的体温最低，35 ℃。熊猫是36.2 ℃，猫是37.4 ℃，蝙蝠最高，活动时体温可达42.5 ℃。在水里生活的动物低些，在陆地上生活的动物高些，这是数千万年来进化的结果。人类的远祖来自2百万年前非洲的几个地区。考古学发现当时那些地区的平均温度约为21 ℃。他们以采集狩猎为生，期间所产生热量的速率与身体散热的速率在体温为37.2 ℃左右时正好平衡。所以人体的体温就定格在了37.2 ℃。

图5，各种动物的体温

人生病时经常会发烧。人体体温每升高1 ℃，消耗的氧气就要增加7%。所以生病时总会觉得很累。当体温超过42℃时，身体就会颤抖、痉挛、谵妄，十分危险。引起发烧的致热源有外源性与内源性两种。例如细菌就是一种外源性致热源。它刺激人体释放一系列的细胞因子。这些细胞因子随血液进入下丘脑，催生出前列腺素。前列腺素将身体的恒温调节器设置到一个更高的温度，人就发烧了。发烧是人体在遇到病原体入侵时产生的一种正常生理反应，发烧时血液循环加速，免疫功能增强，有利于清除病原体和促进疾病的痊愈。要治疗细菌感染导致的发烧有两种方法，一是用抗菌素杀死刺激产生细胞因子的细菌。二是用阿司匹林或类似的药物阻止前列腺素的合成。在过去的100年间，这两种方法使得人类的平均寿命一下子增加了1倍。

调节温度也可以治病。例如发烧时可以用冰袋降温。在现代科技中，利用低温治病有局部性低温手术和全身低温疗法。局部性低温手术是用液氮（-200℃）直接冷冻杀灭皮肤癌、皮肤肿瘤、皮肤疣、前列腺癌和其他类型的癌症的一种微创手术治疗方法。全身低温疗法有点儿像冰水浴（图6）。全身泡在-120℃的低温容器中，据称能够让运动员缓解肌肉酸痛快速恢复体力。

利用高温的疗法就更多了。简单的有热水澡、温泉浴、桑拿、蒸汽浴、热水袋、热敷、电热贴、红外线照射等等。最近研发出的腹腔热灌注化疗（Hyperthermic Intraoperative Chemotherapy, HIPEC）是用于治疗腹部癌症的一种新方法。

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